Khi được tìm hiểu trong chương trình phổ thông về các loại thực vật phù du trong giới tự nhiên, đặc biệt là tảo, nhóm chúng tôi đã được học tập và nghiên cứu về thói quen ăn uống, hấp thụ dinh dưỡng của loại sinh vật này. Cụ thể, các loài sinh vật phù du, trong đó có tảo, lấy CO2 là chất dinh dưỡng chính. Hay, chúng hấp thụ CO2 để lớn lên và dự trữ trong bộ vỏ của mình. Trong khi đó, sắt lại là một chất xúc tác cần thiết kích thích sự sinh trưởng, phát triển của các loài sinh vật phù du này.Đặc biệt, nghiên cứu tại phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Mỹ Argonne cho thấy tảo cát sử dụng nhiều sắt hơn nó cần cho quang hợp và hấp thụ CO2 để dự trữ thêm trong bộ xương silic dioxit và vỏ của nó (sơ bộ mỗi năm có 2,5mg sắt được lấy ra từ mỗi mét vuông mặt nước biển và bị cô lập trong bộ xương silic dioxit). Điều này đặt câu hỏi cho chúng tôi về việc sử dụng sắt (gieo sắt vào môi trường nuôi cấy) cho tảo ăn để bẫy CO2, nhờ đó có thể làm giảm lượng CO2 trong không khí
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT THĂNG LONG ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM THIỂU CO2 CỦA TẢO CÁT QUA VIỆC GIEO SẮT Lĩnh vực: Khoa học môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Ts. Nguyễn Văn Thắng - Đơn vị công tác: Viện Khoa học Việt Nam TÁC GIẢ: 1. Nguyễn Bằng Thương-Lớp: 11T4-Trường: THPT Thăng Long 2. Hoàng Hà Vi-Lớp: 11T4-Trường: THPT Thăng Long Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi MỤC LỤC Trang I. Thực trạng và ý tưởng…………… 3 II. Nội dung đề tài………………………6 III. Ưu điểm và nhược điểm………….…18 IV. Công việc sắp tới……………… 21 I. THỰC TRẠNG VÀ Ý TƯỞNG 2 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi 1. Thực trạng: Ngày nay, vấn đề môi trường, đặc biệt là biến đổi khí hậu luôn được chú trọng trên toàn thế giới. Trong đó, CO2 (khí cacbon dioxit) được nghiên cứu là tác nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Không thể phủ nhận những lợi ích của CO2 đối với đời sống sinh vật trên Trái đất: tham gia vào quá trình quang hợp, hoạt hóa,… Tuy nhiên, hiện nay, lượng CO2 trong không khí ngày càng tăng cao, chủ yếu do hoạt động của con người. Điều đó đồng nghĩa với mối đe dọa đối với sức khỏe con người và môi trường sống ngày càng tăng cao. Vì vậy, cần có một giải pháp tích cực, thân thiện với môi trường để làm giảm lượng CO2 đang ngày một gia tăng trong không khí. 2. Ý tưởng: Khi được tìm hiểu trong chương trình phổ thông về các loại thực vật phù du trong giới tự nhiên, đặc biệt là tảo, nhóm chúng tôi đã được học tập và nghiên cứu về thói quen ăn 3 Sức khỏe con người CO2 Biến đổi khí hậu Hệ sinh thái Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi uống, hấp thụ dinh dưỡng của loại sinh vật này. Cụ thể, các loài sinh vật phù du, trong đó có tảo, lấy CO2 là chất dinh dưỡng chính. Hay, chúng hấp thụ CO2 để lớn lên và dự trữ trong bộ vỏ của mình. Trong khi đó, sắt lại là một chất xúc tác cần thiết kích thích sự sinh trưởng, phát triển của các loài sinh vật phù du này. Đặc biệt, nghiên cứu tại phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Mỹ Argonne cho thấy tảo cát sử dụng nhiều sắt hơn nó cần cho quang hợp và hấp thụ CO2 để dự trữ thêm trong bộ xương silic dioxit và vỏ của nó (sơ bộ mỗi năm có 2,5mg sắt được lấy ra từ mỗi mét vuông mặt nước biển và bị cô lập trong bộ xương silic dioxit). Điều này đặt câu hỏi cho chúng tôi về việc sử dụng sắt (gieo sắt vào môi trường nuôi cấy) cho tảo ăn để bẫy CO2, nhờ đó có thể làm giảm lượng CO2 trong không khí (Xem hình 1). 4 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi Hình 1. Cho sắt vào môi trường nuôi cấy tảo để làm giảm khí CO2 Vỏ ngoài của tảo cát rất cứng nên khi chết chúng thường chìm xuống đáy đại dương mang theo cả cacbon từ mặt nước rồi giữ chặt chúng trong những lớp lắng cặn tại bãi tha ma đáy nước. Hầu hết các loài tảo cát đều quá nhỏ và không thể nhìn thấy được nếu không qua phóng đại; nhưng chúng lại giữ một vai trò quan trọng đáng kinh ngạc trong chu trình cacbon toàn cầu. Trong quá trình quang hợp, tảo cát biến khí cacbonic thành cacbon hữu cơ đồng thời giải phóng khí oxi. Mỗi năm chúng đóng góp tới 40% cacbon hữu cơ được sản xuất trong các đại dương trên toàn thế giới. Dưới điều kiện tỉ lệ sắt thấp, tảo cát lớn chậm hơn; các gen tham gia vào quá trình tạo vỏ silic đioxit được kích thích hoạt động. Các cá thể tảo cát cũng có xu hướng tập trung lại với nhau dưới những điều kiện này khiến chúng nặng hơn và dễ chìm hơn. Thành tế bào dày hay mỏng còn tuỳ thuộc vào lượng sắt có trong môi trường biển. Việc bổ sung sắt vào môi trường nuôi cấy sẽ giúp tảo cát có thể phát triển, gia tăng số lượng và hấp thụ nhiều khí cacbonic từ bầu khí quyển hơn. Từ đó có thể kìm hãm sự nóng lên toàn cầu. Thay vì nuôi dưỡng thêm sự phát triển của sinh vật phù du, gây ra sự nở hoa của tảo, sự làm giàu sắt (gieo sắt) có thể thay thế kích thích tảo cát háu ăn để hấp thụ nhiều sắt hơn để xây dựng vỏ lớn hơn. Khi vỏ đủ lớn, chúng chìm xuống đáy đại dương cô lập sắt và tiếp tục bỏ đói sinh vật phù du của tảo cát. Như vậy, ở đề tài này, cần nuôi tảo cát trong môi trường nuôi cấy, sau đó bơm vào môi trường nuôi cấy một lượng vi chất dinh dưỡng sắt nhất định. Theo dõi hàm lượng và nồng độ CO2 trong môi trường nuôi cấy theo chu kỳ. Theo dõi đồng thời sinh khối của tảo, sự tăng giảm của chúng và rút ra kết luận. 5 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi II. NỘI DUNG ĐỀ TÀI A. Vật liệu nghiên cứu: • Đối tượng nghiên cứu là loài tảo silic (tảo cát), tên khoa học là Bacillariophyceae, được lưu giữ và nuôi cấy tại Phòng sinh học tảo, trực thuộc Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Số lượng tảo: 5g. • Nước biển sau khi được xử lý có độ mặn 30 ppt, có hàm lượng NO3- và NH4+ là 2,8 và 0,7 mg/l. Tương ứng với hàm lượng N là 0,63 và 0,54 mg/l. Hàm lượng (PO4)2- là 1,8 mg/l, tương ứng với hàm lượng P là 0,59 mg/l. Hàm lượng silic là 3,51 mg/l. • Vi chất dinh dưỡng sắt: bột sắt (Fe). Nơi cung cấp: THPT Thăng Long. Số lượng sắt: 200 mg. • Các thiết bị chuyên dùng: - Dụng cụ đựng tảo thí nghiệm (Bình, lọ thủy tinh,…) - Máy đo CO2 (đo trước, trong và sau khi gieo bột sắt). - Máy đo DO, máy đo nhiệt độ, máy đo pH, kính hiển vi và một số dụng cụ cần thiết khác. - Chương trình xử lý số liệu ghi lại được: Chương trình EXCEL 2007. Trước khi tiến hành nghiên cứu, cần hiểu rõ những đặc điểm cơ bản của các vật liệu cần có như sau: 1. PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CHỦ YẾU CỦA TẢO SILIC: a. Hệ thống phân loại: Ngành: Heterokontophyta Lớp: Bacillariophyceae Bộ: Pennales Bộ phụ: Biraphidineae Họ: Nitzschiaceae Giống: Nitzschia Loài: Nitzschia longissima 6 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi b. Một số đặc điểm sinh học chủ yếu: Tế bào có hình que rất dài, vỏ mỏng, sống riêng rẽ . Mặt vỏ tế bào hình que thẳng, trục dài trung bình 440 µm. Đoạn giữa mặt vỏ phình to ra, có dạng hình thoi, dài khoảng 1/4 đến 1/3 trục dài, chiều ngang 16µm . Hai đầu tế bào nhỏ đều, thẳng, chiều ngang 4-5 µm. Trên mặt vỏ có đường vân ngang (16 đường). Mỗi tế bào có hai thể sắc tố dạng bản nằm ở đoạn phình ra của tế bào. - Cấu tạo vách tế bào: Vách tế bào được cấu tạo bằng silic (SiO2.nH2O) và pectin, gồm 2 tầng, tầng ngoài (silic) và tầng trong (pectin). - Sắc tố và thể sắc tố: Thể sắc tố dạng bản, số lượng ít, kích thước lớn, gồm chlorophyll (a và c), fucoxanthin, carotenoit. - Nguyên sinh chất: Là chất sống căn bản của tế bào, có tính lỏng, nhớt, đàn hồi, và trong suốt. - Nhân: Mỗi tế bào có một nhân, thường có dạng hình cầu, kích thước phụ thuộc vào giai đoạn sinh trưởng và phát triển của tế bào. Nhân nằm trên cầu nguyên sinh chất chạy qua trung tâm tế bào. Nhân có màng nhân cố định chứa một hay nhiều hạch nhân, quá trình phân chia không giảm nhiễm. Các kiểu sinh sản chính: • Sinh sản phân cắt theo kiểu nắp hộp: Hai mảnh vỏ tách rời nhau ra. Mỗi mảnh vỏ đều chứa chất tế bào với nhân và thể màu. Bất cứ mảnh nào của tế bào mới được hình thành về sau chúng tự tạo nên mảnh vỏ dưới. Như vậy, sau một số lần phân chia sẽ dẫn đến sự giảm kích thước tế bào (từ 1/2 -1/3 kích thước ban đầu). • Sinh sản bằng bào tử nghỉ trong điều kiện bất lợi: Các hình thức sinh sản bằng bào tử như bào tử nghỉ, bào tử phục hồi độ lớn (do quá trình phân cắt kiểu nắp hộp dẫn đến sự giảm kích thước tế bào sau nhiều lần phân chia). + Sự hình thành bào tử sinh trưởng (Auxospore) Khi kích thước tế bào giảm, tảo silic phải tiến hành phục hồi lại kích thước ban đầu bằng cách phân chia đặc biệt hình thành bào tử sinh trưởng. + Bào tử nghỉ (Resting spore) Các loài tảo gần bờ trong bộ tảo silic trung tâm thường có hình thức sinh sản bằng bào tử ngủ như chi tảo lông gai (Chaetoceros), chi tảo chuỗi thẳng (Melosira), v.v… Hình thành bào tử ngử để duy trì sự sống trong điều kiện bất lợi của môi trường như: nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, muối dinh dưỡng thiếu…. 7 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi Ngoài ra, tảo silic còn có hình thức sinh sản hữu tính (đẳng giao ở tảo silic lông chim và noãn giao ở tảo silic trung tâm). - Thành phần chủ yếu: Protein 30-55% Cacbohydrat 10-30% (Chủ yếu là polysaccharide) Lipid 10-25% Các acid béo: 20-40% lipid tổng số Phospholipid: 10% lipid tổng số Khoáng 10-40% Silic (tảo Khuê), phospho, natri, canxi Acid nucleic 4-6% RNA:DNA = 3:1 c. Ảnh hưởng của một số yếu tố sinh thái đến sự phát triển của tảo: • Ánh sáng: Ánh sáng là nguồn năng lượng chính cho quá trình quang hợp của vi tảo. Ánh sáng ảnh hưởng không chỉ đến sự phát triển số lượng của vi tảo, mà còn ảnh hưởng đến thành phần hóa sinh của vi tảo. Hầu hết các loài vi tảo sử dụng trong nuôi trồng thủy sản thích ứng với cường độ ánh sáng từ 50 đến 300 µEm-2s-1, tương ứng với thời gian chiếu sáng 12-18 giờ/ngày. • Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào, tốc độ phản ứng trao đổi chất, sinh trưởng, quá trình quang hợp, mật độ phân bố, cường độ hô hấp, kích thước tế bào và sự thích nghi của loài. Vi tảo có thể sống được trong khoảng nhiệt độ 16-30oC. Ở nhiệt độ cao hơn 35oC và thấp hơn 16oC, vi tảo phát triển rất kém. Tuy nhiên, nhiệt độ được coi là thích hợp cho sự phát triển của hầu hết các loài vi tảo là khoảng 20-25oC. • Độ mặn: Các loại tảo khác nhau có khả năng thích nghi đối với các độ mặn khác nhau. Có những loài tảo có khả năng phát triển tốt trong môi trường có độ mặn cao đến hơn 35 ppt, nhưng cũng có những loài chỉ sống được trong môi trường có độ mặn chỉ vài phần ngàn. Hầu hết, các loài tảo sinh trưởng và phát triển được trong khoảng độ mặn 12-40 ppt, nhưng phát triển tốt hơn trong khoảng 20-35 ppt. • pH pH được coi là yếu tố biến đổi nội tại. Sự biến đổi của nhiệt độ cũng như ánh sáng đều tác động đến pH thông qua quá trình quang hợp của tảo. pH của môi trường quá cao hoặc quá thấp đều làm chậm tốc độ tăng trưởng của vi tảo. Mỗi loài tảo sinh trưởng tối ưu trong môi trường có pH nhất định. pH tốt đối với hầu hết các loài tảo trong khoảng 7-9, và thích hợp nhất từ 8,2-8,7. 8 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi Hình 2. Tế bào tảo cát qua kính hiển vi • Các yếu tố dinh dưỡng Dinh dưỡng là yếu tố vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi tảo cả về số lượng và chất lượng. Mật độ tế bào tảo nuôi thường cao hơn nhiều so với mật độ tảo trong tự nhiên, nên việc bổ sung dinh dưỡng vào môi trường nuôi là cần thiết. Thành phần dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho tảo nuôi gồm các muối nitơ, photpho, silic… Các nguyên tố vi lượng tác động đến quá trình trao đổi chất của vi tảo. Môi trường bổ sung dinh dưỡng cho tảo đang được sử dụng phổ biến hiện nay cho tảo Silic là môi trường L và L1, trong đó: ♣ Nitơ: Mặc dù nitơ chỉ chiếm từ 1-10% khối lượng cơ thể trong hầu hết các loại tảo, nhưng nhu cầu nitơ rất quan trọng đối với sự phát triển của tảo. Khi mà amon được sử dụng như nguồn nitơ duy nhất cho tảo thì môi trường pH sẽ giảm nhanh, gây ra một số hiệu ứng phụ ảnh hưởng tới sinh trưởng của tảo. Tảo có khả năng sử 9 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi dụng đạm dưới dạng 3 hợp chất: Amoni, nitrat, và nitrit. Mỗi loài có nhu cầu sử dụng hàm lượng nitơ khác nhau. Hàm lượng nitơ bổ sung tốt nhất cho tảo. ♣ Photpho: Photpho có ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng và phát triển của tảo. Chức năng chính của photpho là tham gia vào việc hình thành nhiều hợp chất hữu cơ có vai trò là những khâu chuyển hóa trung gian hoặc những chất có ý nghĩa then chốt trong trao đổi năng lượng và trao đổi chất. Hàm lượng photpho cần bổ sung cho hầu hết các loài vi tảo từ 2,5-15 ppm ♣ Silic: Silic vừa là yếu tố tạo sinh, vừa là nguyên tố tạo nên vỏ silic của tảo Silic. Silic rất cần cho việc xây dựng vỏ tảo. Nếu thủy vực tồn tại nhiều tảo cát thì trong thời kỳ tảo cát phát triển mạnh, hàm lượng silic sẽ giảm nhiều, do đó sẽ hạn chế sự phát triển cực đại của tảo. Một số tác giả khác chỉ ra rằng khi thiếu silic, tảo cát vẫn phát triển bình thường nhưng cấu trúc tế bào sẽ bị thay đổi Cấu trúc phức tạp của vỏ silic giúp cho tảo có khả năng sử dụng đầy đủ ánh sáng mặt trời. 10 [...]... đưa vào: 5 mg Lượng CO2 hấp thụ từ không khí: 1 mol/lít Lý do: Nếu cần dùng nhiều sắt để hấp thụ một lượng nhỏ CO2 → tốn kém, không hiệu quả Điều kiện sinh thái Bột sắt Dụng cụ theo dõi Tảo cát: - Hấp thụ bột Fe Hấp thụ CO2 14 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi Đo nồng độ CO2 trong môi trường Kết luận về vai trò của tảo cát trong việc giảm nồng độ CO2 trong môi trường qua việc gieo sắt Ngày 1 Ngày... không làm giảm được một lượng CO2 nào → đề tài trở nên vô nghĩa b Lượng sắt cần và đủ để tảo hấp thụ CO2 và chìm xuống với lượng CO2 mà tảo hấp thụ từ không khí phải tương quan hiệu quả với nhau: Hai đại lượng này liên quan đến tính hiệu quả của bài toán lý thuyết Lượng sắt cần phải ít hơn so với lương CO2 tảo hấp thụ được Nói cách khác, dùng ít sắt nhưng hiệu quả thu được CO2 phải cao VD: Lượng sắt đưa... Tương quan với các nguyên liệu khác: +) Tảo cát với các loại tảo khác: Dễ tìm, an toàn, không gây độc đến môi trường, chi phí không quá cao Tảo cát hấp thụ nhiều CO2 hơn so với các loại tảo khác để nuôi dưỡng bộ xương silic dioxit của nó +) Môi trường có Fe với không có Fe: Fe là chất xúc tác cần thiết cho quá trình hấp thụ CO2 của tảo Quá trình sẽ xảy ra nhanh hơn, dễ dàng hơn Hàm lượng CO2 được giảm. .. 3 Một tế bào tảo cát 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA BỘT SẮT: - - Tính chất: Bột sắt là một dạng bột của sắt (Fe), ở dạng tinh thể có màu nâu đen, không mùi Khi bơm bột sắt vào môi trường nuôi cấy, bột sắt không tan trong nước, được tảo cát hấp thụ Các ảnh hưởng lên đời sống thủy sinh vật: Nguyên lý tác dụng của bột Fe là chất xúc tác cho tảo cát trở nên háu ăn hơn Tảo trong môi trường sẽ bị ảnh hưởng khi... 24h/ ngày Đồng thời theo dõi lượng sinh khối của tảo (tăng lên do vỏ silic lớn lên, đồng thời được bổ sung thêm sắt) Tính toán và xử lý số liệu: Nồng độ CO2 trung bình giảm đi trong môi trường nuôi cấy (∆C): ∆C ═ Nồng độ CO2 trước khi bơm sắt vào – nồng độ CO2 sau khi bơm sắt • Mục tiêu hướng tới: a ∆C > 0: Nồng độ CO2 sau khi bơm (C2) (hay lượng CO2 trung bình giảm đi trong môi trường nuôi cấy) không... nuôi tảo, ống nghiệm đựng 5g tảo cát, ống nghiệm đựng 200 mg sắt Tạo lập một môi trường nuôi cấy tảo cát: + Những điều kiện cần thiết: Nước biển, diệp lục, ánh sáng 12 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi - - - + Sau khi tạo lập môi trường: Cấy tảo vào bình Đặt bình trong điều kiện thích hợp để tảo cát sinh trưởng, phát triển thuận lợi Đo các thông số cần thiết của tảo ở môi trường trước khi cho bột sắt. .. trình giảm CO2 trong môi trường nước của tảo cát nên cần mất thời gian để thu thập và xử lý số liệu chi tiết (trung bình 3 tuần / môi trường nuôi cấy) 2 Cách bảo quản tảo cát: 19 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi Vì nguồn tảo đang được sử dụng trong thí nghiệm là tảo cát nhân tạo nên nếu đưa ra môi trường ngoài mà không có diệp lục, tảo sẽ không tồn tại được lâu 3 Liên hệ với phản ứng hoàn nguyên của. .. (hoặc không tương đương) so với nồng độ CO2 trước khi bơm sắt vào (C1) VD: C1 = 1 mol/lít C2 = 0,7 mol/lít → ∆C = 0,3 mol/lít 13 Nguyễn Bằng Thương – Hoàng Thị Hà Vi Lý do: - - Nếu C2 quá nhỏ so với C1 → ta đã lạm dụng tảo cát và cơ chế gieo sắt, làm hao hụt quá nhiều lượng CO2 trong môi trường nuôi cấy Thực ra, CO2 có vai trò một phần nhỏ giúp cho khả năng hô hấp của sinh vật lấy Oxi được dễ dàng hơn... 3CO → 3CO2 + 2Fe Phải tính toán được sao cho lượng CO2 thoát ra từ phản ứng hoàn nguyên của sắt không mâu thuẩn với mục đích đặt ra của đề tài (giảm CO2) Ví dụ: - Lượng CO2 trong môi trường trước khi gieo sắt: 1 mol/lít - Lượng CO2 trong môi trường sau khi gieo sắt: 0,5 mol/lít - Lượng CO2 từ phản ứng hoàn nguyên của sắt: 0,4 mol/lít → Lượng CO2 sau khi gieo sắt... dụng đến những thiết bị lớn + Chỉ có hiệu quả khi CO2 trong điều kiện áp lực nhẹ và vừa 1 • - - Chôn CO2: Thu lại khí CO2 (dạng lỏng), vùi nó xuống lòng đất, đại dương Ưu điểm: + Khả thi + Khả năng định tính, định lượng chính xác cao Nhược điểm: + Từ chỗ chôn vẫn có lỗ hở để CO2 bay ra + Chi phí hóa lỏng CO2 rất cao 2 - - • Tính khác – Tính mới – Ưu điểm của đề tài này: - So với những dự án trước đây: